Кузнецова Л.П.

Магистрант, национальный исследовательский Томский политехнический университет, Россия

Компьютерное моделирование напряженно-деформированного состояния участка морского трубопровода

Повышение эффективности работы газовой отрасли является важной государственной задачей, от решения которой зависит выполнение многих государственных программ, поскольку нефтегазовая промышленность является одной из ведущей отраслей экономики России. Развитие инфраструктуры государства неразрывно связано с освоением удаленных северных регионов и шельфов морей, что в свою очередь ведет к потребности в строительстве трубопроводов, в том числе и морских - сложнейших технических объектов. Морские трубопроводы пролегают в сложных климатических условиях и под воздействием окружающей среды в них появляются напряжения и деформации. Такие нагрузки могут приводить к разным последствиям, а в случае аварии подобраться к трубопроводу достаточно проблематично и высокозатратно [1].  Ввиду этого необходимо производить расчеты надежности трубопровода с минимальными погрешностями и предусматривать всевозможные аварийные ситуации.

Одним из определяющих требований, предъявляемых к трубопроводам, является обеспечение их надежного, безопасного функционирования при длительных сроках эксплуатации. В связи с этим, ключевым является этап проектирования трубопроводов, где решаются вопросы выбора и обоснования его основных конструктивных параметров- материала труб, наружного диаметра и толщины стенки, способа монтажа и других эксплуатационных характеристик. Напряженно-деформированное состояние любого несущего элемента линейной части трубопровода однозначно определяется характеристиками воздействующих на него нагрузок. Для расчета необходимо привлечение автоматизированных систем. Так,  на примере моделирования и исследовании напряженно-деформированного участка морского трубопровода покажем необходимость использования программных средств. Универсальным расчетным комплексом, основанным на методе конечных элементов, предназначенным для моно- и многодисциплинарных расчетов является ANSYS.

В качестве исходных данных к расчету напряженно-деформированного состояния трубопровода возьмем типичное проектное решение, основанное на технических требованиях СНиП 2.05.06-85*. Магистральные трубопроводы, таблица 1 [2, 3].

Таблица 1

Общие параметры и характеристика материала трубопровода

Внутренний диаметр, d:

1153 мм

Толщина стенки, δ

34,4 мм

Длина трубопровода, L

12 м

Глубина залегания, h0

70 м

Плотность природного газа, ρг

0,700 кг/м³

Рабочее давление, P

5,5 МПа

Наименование материала

сталь 17Г2С

Плотность металла, ρм

7850 кг/м³

Предел текучести, σтек

355 МПа

 

Расчет производится с помощью трехмерного моделирования и решения пространственной задачи определения напряженно-деформированного состояния трубопровода, находящегося под действием внутреннего давления и веса от толщи морской воды. Рассматриваем 12 м длины трубы. Порядок моделирования напряженно-деформированного состояния магистрального газопровода с абразивным дефектом в CAE-среде ANSYS Workbench состоит из следующих этапов [4] : моделирование материала и исследуемой геометрии; моделирование опор и нагрузок, действующих на трубопровод; моделирование сетки конечных элементов и расчет НДС; анализ полученных результатов.

Первый этап - моделирование материала и исследуемой геометрии - начинается с создания проекта в среде ANSYS Workbench. Для нашей задачи - расчета НДС - необходимо выбрать пакет Static Structural. В данной среде характеристики материала задаются в пункте Engineering Data. Для задания стали 17Г2С  необходимо в данном пункте изменить параметры Tensile Yield Strength, Compressive Yield Strength, Tensile Ultimate Strength и Compressive Ultimate Strength на соответствующие для материала параметры. Следующим шагом является моделирование геометрии трубопровода с абразивным дефектом. Он состоит из нескольких этапов. Первый - рисование трубопровода. Второй - рисование дефекта и «вырез» дефекта из трубопровода. Трубопровод моделируется прямоугольником, которому задали вращение по оси Х на 360°. Следующим шагом является моделирование нагрузок, посчитанных ранее, а также заделок, удерживающих трубопровод. Нагрузки и заделки прикладываются в среде ANSYS Mechanical. Моделирование сетки и расчет НДС трубопровода объединяется в один этап, поскольку среда ANSYS Mechanical позволяет разбивать сетку и делать расчет последовательно и в автоматическом режиме.

Распределения суммарных напряжений и перемещений, полученных в результате расчета представлены на рисунках 1, 2.

 

 

 

 

Подпись: Рис.2 Суммарные перемещения 

Подпись: Рис.1 График изменения напряжений по длине трубопровода

 

Из полученных данных можно сделать выводы, что наибольшие напряжения возникают на внутреннем контуре трубы; изменение значений напряжений, возникающих при эксплуатации трубопровода, может достигать величин близких к пределу текучести стали, что снижает уровень надежности трубопровода; суммарные перемещения переменны по длине трубы и существенно зависят от действия распределенных нагрузок.

Проведенные в данной работе расчеты доказывают необходимость использования автоматизированных систем при проверке прочности и устойчивости морских трубопроводов, и необходимость выполнения расчетов надежности трубопровода во избежание высокого уровня затрат на ремонт и серьезных экологических проблем при авариях.

Литература:

1.Официальный сайт магистрального газопровода «Северный поток» [Электронный ресурс].- Режим доступа:  http://www.nord-stream.com/ru/ - свободный

2.         СНиП 2.05.06-85* Магистральные трубопроводы

3.СНиП 2.01.07-85* Нагрузки и воздействия

4.Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. Ansys для инженеров: Справ.пособие. –М.: Машиностроение 1, 2004.-512с.